Приёмный оптический модуль. Фотоприёмники.

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) являются важными элементами волоконно-оптической системы. Их функция – преобразование оптического сигнала, принятого из волок­на, в электрический. Последний обрабатывается далее электронными устройствами.

Основные элементы ПРОМ

-фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму;

-каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную к обработке;

-демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

На практике функциональные элементы могут несколько отличаться у разных ПРОМ. На­пример, детектор типа лавинный фотодиод обеспечивает внутреннее усиление, в результате чего собственные шумы последующего электронного усилителя становятся не столь замет­ными по сравнению с уровнем полезного сигнала. В некоторых ПРОМ отсутствует демодуля­тор, или цепь принятия решения, поскольку электрический сигнал с выхода каскада усилите­лей приемлем для непосредственной обработки другими электронными устройствами. Иногда для более эффективной работы ПРОМ перед детектором устанавливается оптический усили­тель.

На рис. 4.6 приведены функциональные элементы аналогового (а) и цифрового (б) ПРОМ. Аналоговые ПРОМ принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе также вы­дают аналоговый электрический сигнал. К аналоговым приемникам предъявляются требова­ния высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов – в противном случае возрастают искажения сигнала. На протяженных линиях с большим ко­личеством приемо-передающих узлов искажения и шумы накапливаются, что снижает эффек­тивность аналоговых многоретрансляционных линий связи.

При цифровой передаче не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов.

Цифровой приемник должен включать узел принятия решения или дискриминатор, имеющий установленные пороги на принятие сигналов 0 и 1, который распознает, какой сигнал пришел, устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.

Различают синхронные и асинхронные режимы приема-передачи цифрового сигнала. Упрощенное описание каждого из методов приведено ниже. При синхронном режиме битовый поток между приемником и передатчиком носит непрерывный характер. При асинхронном режиме данные передаются в виде организованных битовых последовательностей – пакетов. В промежутках между пакетами линия молчит – сигнала нет. При синхронном режиме приема-передачи таймер приемника выделяет в приходящей битовой последовательности специаль­ные сигналы – синхроимпульсы, на основании которых приемник регулярно настраивает или подстраивает свои часы. При асинхронном режиме приема-передачи приемник имеет свой независимый таймер. Принимая начальные биты пакета (преамбулу), таймер приемника на­страивает узел принятия решения так, чтобы определение приходящего бита выполнялось на его середине. Электрический сигнал, который выдает узел принятия решения, идет на часто­те таймера. Так как есть погрешность у разных таймеров, то, по мере принятия последующих битов пакета, момент определения приходящего бита плавно смещается в одну из сторон от­носительно середины приходящего бита. Для правильной идентификации всех битов пакета важно, чтобы смещение за время принятия пакета не превысило 0,5 бита. Это приводит к ог­раничению на максимальную длину пакета. Чем меньше погрешность таймеров, тем большая длина пакета может использоваться для передачи.

Принципы работы фотоприемника

Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый обычно из полу­проводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фо­тоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энер­гию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводи­мости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с по­явлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электри­ческий ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с p-n переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприемников, применяемых ВОЛС, получили распространение p-i-n фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Рассмотрим принципы работы фотоприемника на примере p-i-n фотодиода, для которо­го характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями p⁺-и n⁺-типа (+ означает сильное легирование), рис. 4.7 а. Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На p-i-n структуру подается напряжение с обратным смещением U_o (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (гра­диент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направле­ниях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодейст­вие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в p⁺- и n⁺-слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. По­этому при изготовлении фотодиодов стремятся делать p⁺- и n⁺-слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.

Фотодиоды могут изготавливаться из разных материалов.

Эффективность (квантовая) обедненной области в рабочем диапазоне длин волн доста­точно высока ~ 80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское от­ражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на гра­нице между этой поверхность и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем - специально подобранным прозрач­ным для длины волны излучения λ материалом толщиной кратной λ/ 4 и показателем преломления, равным √n₁n₂, где n₁ и n₂ - показатели преломления i-слоя и воздуха.

Лавинный фотодиод

Принцип работы. Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодио­да является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p⁺-i-n⁺, то у ЛФД добавляет­ся p-слой (p⁺-i-p-n⁺). Причем профиль распределения легирующих примесей вы­бирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряжен­ность электрического поля имел p-слой. При воздействии света на i-слой образуются элек­тронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в p-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в p-слое. Ускоряясь в зоне проводимости p-слоя, такие электроны накапливает энергию достаточную, чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока. Коэффи­циент умножения составляет несколько десятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов. Коэффициент умножения M определяется по эмпирической формуле M = 1(1-(U/U_b)ⁿ), где U - напряжение внешнего обратного смещения, U_b - напряжение обратного смещения, при котором наступает электри­ческий пробой (breakdown) фотодиода - обычно это напряжение порядка 100 В, но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт, n -число в диапазоне от 3 до 6. ЛФД имеют высокое быстродей­ствие, однако случайная природа ла­винного тока приводит к шуму. В отли­чие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально M, шум усиливается быстрее. В результате этого выбира­ется оптимальное значение коэффици­ента умножения M, обычно в пределах от 30 до 100. Особенностью работы ЛФД яв­ляются более высокое рабочее напря­жение по сравнению с p-i-n фотодиодами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения. Это требует использования умножения лавинного фотодиода специальной электрической цепи, высот рабочего напряжения вырабатывающей необходимое рабочее обратного смещения напряжение, а также системы термостабилизации.